PWM变频器负面影响及对策

PWM变频器负面影响及对策1引言变频器在节能、改善人类生活环境、降低生产成本、提高产品质量以及提高工业自动化程度等方面作出了巨大的贡献，但同时也产生了一些显著的负面效应［1-4］。由于现代电力电子器件的飞速发展，功率开关器件(如绝缘栅双极晶体管IGBT)开关频率可达几万赫兹，其快速导通或关断特性将使逆变器的输出产生很高的dv/dt。dv/dt过高将对变频器驱动系统产生一系列危害：由于高频时电源线路存在分布电容以及电动机内部存在寄生电容，将产生充放电电流(称为漏电流)，流入地线，漏电流过大将引起电机保护电路误动作；还会由于电容的累积作用使得转子轴电压升高。这两者都会引起润滑油膜击穿，产生电火花加工作用，从而导致电机轴承过早损坏，增加电机的维修费用，影响系统的正常运行。高频的漏电流经地线流回系统的三相电源中，产生高频电磁干扰(EMI),高次谐波电流在线路阻抗上形成谐波压降，产生有功和无功损耗，影响供电电网电能质量，供电效率下降；还会使继电保护装置因受干扰而产生误动作，影响电网上的其他电子设备的正常运行，甚至在功率开关器件的高速通断期间，高频的dv/dt会在电机铁芯叠片中激励涡流引起热损耗，还会使电机的铜线绕组通过集肤效应消耗更多的能量，加剧电机的热损耗，导致电流功率损耗增大，效率降低，从而影响电动机性能。当变频器产生的高频电磁振荡的频率与电机的零部件的固有振荡频率相近时，会诱使其发生机械共振和噪声。当电机和逆变器之间不可避免地采用长线传输电缆时，如在石油开采、造纸，采矿业等领域，由于长线电缆存在分布电感和分布电容，将产生反射波现象，使电机端dv/dt加倍。共模dv/dt加倍可以使上述危害加重；差模dv/dt加倍引起电机端出现过电压，加剧绕组绝缘老化过程，造成电机绝缘损伤，甚至绝缘击穿，缩短了电机使用寿命，严重时会使电动机烧毁、电缆爆裂。上述问题的存在，严重影响了变频器驱动系统的可靠运行，制约了变频技术的进一步推广使用。为此本文首先分析了变频器输出负面效应产生的根源，然后综述了负面效应的抑制对策并对这些对策进行了评价，最后提出可有效消除或降低变频器输出负面效应的方案。2负面效应存在的根源常规的两电平电压源型PWM变频器输出的相电压信号如图1所示，为一系列宽度周期性变化的近似方波的脉冲信号。目前，大多数变频器采用的开关器件为IGBT,其典型上升时间为100ns,因此PWM信号的dv/dt约为5400V/ps,而对于中高压变频器其dv/dt可达20000V/ps,这样高的dv/dt会对电动机驱动系统产生强烈的冲击作用。在常规的PWM控制方式下，变频器三相输出的相电压尽管相位互差120度，但三者之和并不为零，即存在很高的零序电压，又称共模电压。共模电压的典型波形如图2所示，一种阶梯式的跃变电压，幅值与直流母线电压UDC有关，为土Udc/6和土Udc/2。这4个值之间随着开关器件导通状态的不同而不断跳变，因此，共模电压也存在较高的dv/dt。共模电压幅值跳变的频率为变频器开关频率的6倍，是一种高频信号。另外，共模电压上还叠加着一个频率为变频器输出基波3倍的近似三角波的信号，因此共模电压有着频率为输出基波3倍的包络线。由于上述高频共模电压的存在，也会给交流变频调速系统带来负面效应。一方面，高频的共模电压作用在电机上，由于电机内部存在高频寄生电容耦合作用，在电机转轴上会耦合出轴电压，如果电机没有接地或接地不良，就会产生电击事故。另外，当电机正常运行时，电机的轴承中，滚珠在油膜中高速运行，使润滑剂在轴承内部形成两层油膜，使电机轴承呈现出容性作用。由于电机轴承的内座圈与转轴相接，外作圈与定子相联，轴电压将作用在轴承上。当轴电压略大于轴承润滑剂绝缘电压阈值时，感应出较小的轴承电流，使润滑剂发生化学变化，最终由于轴承座圈受到化学侵蚀而降低寿命；当轴电压远大于绝缘阈值时，将产生电容放电性电流-轴承电流，当套圈和滚珠接触时，这个电流会击穿油膜产生较高的放电电流，使套圈局部温度迅速升高，导致轴承座圈上产生熔化性凹点，最终产生凹槽，如图3所示，增大轴承的机械磨损，降低了机械寿命。另一方面，共模电压激励了系统中的杂散电容和寄生耦合电容，产生很大的共模漏电流，通过定子绕组和接地机壳间的静电耦合流入地即漏电流，这个电流将通过接地导体流回电网中从而产生足够大的共模电磁干扰(EMI)。这个干扰分为两类：辐射干扰和传导干扰。由于驱动器的机壳通常采用金属制成从而削弱了辐射干扰。传导噪声通过连接驱动器的，系统电源的和负载的电力线进行传导，因而共模电压是产生传导性EMI的主要因素。另外，漏电流还引起用于保护的接地电流继电器的误动作。当变频器和电动机的位置相隔较远时，需要一定长度的电缆引线把变频器输出的PWM信号传输至电动机的接线端，当电缆线达到一定长度时，由于dv/dt的存在，变频器发出的PWM脉冲信号可被看作是在电缆线上进行长线传输的行波，在电动机的接线端会产生反射，反射波与入射波叠加，从而使电动机端的电压近似加倍，因此会在电动机端产生过电压。这个过电压包括共模电压的加倍和差模电压的加倍。共模电压的加倍使上述负面效应进一步加重，差模电压的加倍超过电机绕组的绝缘范围，是电机绝缘提前老化，使电缆爆裂，如图4所示，影响了电机的长期运行，也增大了系统的维护成本。这是釆用PWM变频器的交流变频调速系统在长线传输时所带来的负面效应。图5为验证变频器负面效应产生根源的实验验证波形。实验条件：AB1336FORCETM变频器，3kW感应电机，采用100米长电缆连接。

何逆变器愉出端脸■山E 7 -4©正弦电原腿动下共撓电圧I审逆銮器鉴动情况下的共摸电氐I⑷正弦电源腥动下軸电圧［」何逆变器愉出端脸■山E 7 -4©正弦电原腿动下共撓电圧I审逆銮器鉴动情况下的共摸电氐I⑷正弦电源腥动下軸电圧［」{S)逆銮器岖动条件下的漏电流图去娈频器负面效应的实验验证渡星通过图5(b)和(d)可以看出，长线电缆可以使变频器输出的差模和共模dv/dt幅值近似加倍，这将对电机的绝缘产生影响；图f)表明电机轴电压是由共模电压产生的，因其波形相近，图(g)说明共模电压每出现一次dv/dt,都将感应出漏电流。图5说明了变频器负面效应产生的根源：共模电压和差模dv/dt,也说明要想消除变频器负面效应，根本方法是减小或消除共模电压和差模dv/dt。dv/dt负面效应抑制对策当电机和变频器之间不可避免地采用长线传输时，传输到电机端的dv/dt会产生加倍现象，称为过电压现象,对电机绝缘的冲击进一步加剧。其解决办法可以通过加强电动机绝缘强度来解决，但这会大大增加电动机的成本和